اینورتر چیست و چگونه کار می کند؟

اینورتر چیست؟

درایو AC یا اینورتر یکی از ابزارهای راه اندازی موتور الکتریکی است که با نام های درایو فرکانس متغیر (VFD) و درایو سرعت متغیر (VSD) هم شناخته می شود. واژه اینورتر به معنای معکوس کننده است و در الکترونیک به مدار مبدل ولتاژ مستقیم به متناوب، مدار اینورتر گفته می شود. به دلیل وجود مدار اینورتر در داخل ساختار درایو AC ، به آن اصطلاحا “اینورتر” هم گفته می شود.

درایو AC در مسیر اتصال منبع تغذیه به موتور قرار می گیرد. الکتریسیته از منبع تغذیه به درایو می رسد و سپس با کمک اینورتر و با اعمال تنظیمات لازم، ولتاژ مناسب مورد نیاز موتور تامین می شود. ولتاژ سه فاز مطابق شکل زیر دارای 3 موج سینوسی است که اندازه و فرکانس آنها با یکدیگر مساوی بوده و تنها دارای اختلاف فاز 120 درجه در شکل موج خود هستند.

شکل موج ولتاژ سه فاز

روابط تئوری موج های ولتاژ سه فاز به صورت زیر است:

V_A = V_P*sin(ωt – 0^o)

V_B = V_P*sin(ωt – 120^o)

V_C = V_P*sin(ωt – 240^o)

در داخل درایو، ابتدا ولتاژ ورودی از یک مدار یکسوساز عبور می کند که ولتاژ ورودی AC را به ولتاژ مستقیم DC تبدیل می کند. در ادامه برای تشریح بهتر موضوع، مکانیزم کار درایو AC سه فاز مورد بررسی قرار می گیرد.

مدار یکسوساز

مدار یکسوساز تمام موج سه فاز مطابق شکل زیر می باشد. به این مدارهای یکسوساز اصطلاحا پل دیودی هم گفته می شود. ولتاژ ورودی این مدار ، ولتاژ 3 فاز سه سیمه است. و در ساختار داخلی درایو AC سه فاز، از یکسوساز سه فاز تمام موج استفاده می شود.

مدار یکسوساز تمام موج سه فاز

مطابق مدار شکل بالا، دیودهای D1D2D3D4، یک پل یکسوساز مابین فاز A و B تشکیل می دهند و به طور مشابه دیودهای D1D2D5D6 مابین فاز A و C و دیود های D3D4D5D6 مابین فاز B و C تشکیل پل یکسوساز می دهند.

در مدار یکسوساز سه فاز، دیود ها به طور متناوب قطع و وصل می شوند و در هر مرحله یک جفت دیود، فعال بوده و ولتاژ دو سر بار را تامین می کنند.

از جفت دیودی که در هر لحظه فعال هستند یکی دیودی است که در سمت آند خود دارای مثبت ترین ولتاژ باشد و دیگری دیودی است که در سمت کاتد خود دارای منفی ترین ولتاژ باشد.

بدین ترتیب شکل موج خروجی مدار یکسوساز سه فاز مطابق شکل زیر خواهد بود.

موج ورودی (بالا) و خروجی (پایین) مدار یکسوساز سه فاز

همانطور که در شکل بالا مشخص است، ولتاژ یکسو شده دارای ریپل (ripple) می باشد و با استفاده از خازن، ریپل حذف شده و ولتاژ ثابت و پایدار تولید می شود.

ولتاژ DC تولید شده در ادامه به یک مدار اینورتر (معکوس کننده) می رسد و توسط آن به ولتاژ متناوب AC تبدیل شده و به موتور می رسد.

مدار اینورتر

در ساده ترین حالت، برای تبدیل سیگنال ولتاژ مستقیم ثابت به سیگنال ولتاژ متناوب که دارای مقادیر مثبت و منفی است، باید از سوئیچ برای قطع و وصل کردن ولتاژ مستقیم استفاده شود و همچنین پایانه های متصل به ولتاژ مستقیم نیز دائما تعویض شوند.

خروجی اغلب مدارات اینورتر در واقع موج های متناوب پالسی هستند که البته مشابه الگوی موج سینوسی می باشد. میزان همگرایی موج پالسی تولید شده به موج سینوسی وابسته به ساختار مدار و نوع تجهیزات به کار رفته در آن می باشد. لازم به ذکر است که سیگنال خروجی مدار اینورتر درایو AC برای راه اندازی موتور مناسب بوده و به عنوان موج سینوسی در بسیاری از کاربردها قابل قبول نیست. به طور کلی در صورتی که فاکتور اعوجاج هارمونیکی (total harmonic distortion) موج خروجی یک اینورتر کمتر از 3 درصد باشد، سیگنال خروجی آن به عنوان موج سینوسی قابل قبول خواهد بود.

در بسیاری از اینورترها، به خصوص اینورترهای متصل به موتورهای AC از تکنیک مدولاسیون پهنای پالس یا PWM برای تبدیل سیگنال DC به AC استفاده می کنند. تکنیک PWM قطاری از پالس با پهنای متنوع تولید می کند که برآیند اثر الکتریکی آنها درنهایت مشابه موج سینوسی می باشد. شکل زیر مربوط به خروجی PWM یک اینورتر استاندارد است.

شکل موج خروجی مدولاسیون عرض پالس یا PWM

شکل زیر نمونه یک مدار ساده اینورتر است که به نام مدار H-Bridge یا پل اچ شناخته می شود. در این مدار از ترانزیستورهای Insulated Gate Bipolar Transistors یا به اختصار IGBT برای تولید سیگنال AC استفاده می شود.

مدار H-Bridge یا پل اچ

همانطور که می دانید گشتاور و سرعت دورانی RPM موتور الکتریکی وابسته به ولتاژ و فرکانس تغذیه آن می باشد. با استفاده از درایو AC ، موتور الکتریکی در هر لحظه متناسب با میزان گشتاور و دور موتوری که باید تولید کند انرژی الکتریکی دریافت می کند و این مساله علاوه بر بالا بردن بهره وری و کم کردن استهلاک موتور باعث صرفه جویی قابل توجهی در مصرف انرژی موتورهای الکتریکی می شود.